CC BY
5
= ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ =====
УДК504.062:628.381:631.81:631.87
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ИЛОВОГО ОСАДКА С ЦЕЛЬЮ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ПОЧВЕННОГО МЕЛИОРАНТА В ЗЕМЛЕДЕЛИИ АРИДНЫХ РЕГИОНОВ
© 2023 г. А.С. Межевова, Ю.В. Берестнева
Федеральный научный центр агроэкологии, комплексныхмелиораций и защитного лесоразведения Российской академии наук
Россия, 400062, г. Волгоград, пр. Университетский пр-т, д. 97. E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 20.10.2022. После доработки 23.11.2022. Принята к публикации 11.12.2022.
В работе проведены комплексные исследования структуры, минералогического состава и основных показателей илового осадка с очистных сооружений г. Волжского. Анализ данных показывает, что иловый осадок характеризуется сложным минералогическим составом и высокими удобрительными качествами, содержит в своем составе азот, фосфор и калий (3.3 0; 4.27; 0.31% соответственно), а также органическое вещество (32%). С помощью методов сканирующей электронной микроскопии, ИК-спектроскопии и рентгенофазового анализа у исследуемого илового осадка обнаружена способность сорбировать и удерживать воду, что является важным свойством для удобрений, применяемых на участках, где отсутствует искусственное орошение. В статье рассмотрены особенности использования илового осадка в качестве почвенного мелиоранта в сухом земледелии Волгоградской области на примере культивирования сафлора красильного. Для увеличения микробиологической активности почвы, а также урожайности сафлора красильного рекомендуется вносить иловый осадок в качестве мелиоранта в дозе 10 тга-1 на фоне применения глубокой чизельной обработки почвы рабочим органом Ранчо.
Ключевые слова: иловый осадок, почвенный мелиорант, химический состав, структура,
переходная пористость.
DOI: 10.24412/1993-3916-2023-1-113-119
EDN: OJOKRX
Одним из основных способов регулирования водного режима почв в зонах гидротермической напряженности климата считается искусственное орошение. Но необходимо отметить, что при научно необоснованном применении орошения могут проявляться и негативные последствия, в том числе деградационные процессы. Решение обозначенных проблем возможно при использовании хозяйственно-бытовых сточных вод, которые накапливаются в огромных количествах на станциях очистки практически в каждом крупном городе. Состав и свойства илового осадка зависят от способов очистки, хранения и от источника сточных вод.
В качестве органического удобрения в сельском хозяйстве можно использовать повторно переработанные бытовые сточные воды (Renaud et al., 2017; Ильинский и др., 2020; Касатиков, 2020; Рабинович и др., 2020; Стельмах, 2020).
Использование переработанных осадков сточных вод в качестве мелиоранта может дать некоторые положительные результаты, такие как: улучшение структуры почвы, увеличение количества питательных веществ в почве, сокращение потребности в минеральных удобрениях (Renaudetal., 2017; Kumaretal., 2017). Подобные отходы представляют собой потенциальный источник органических веществ и питательных элементов, таких как азот, фосфор, калий, и могут быть использованы с целью увеличения плодородия почв и повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
В данной работе представлены результаты комплексного исследования осадка хозяйственно-бытовых сточных вод г. Волжского, в частности, его химического состава, структуры и морфологии, а также показано его практическое применение в качестве почвенного мелиоранта в условиях отсутствия орошения.
Материалы и методы
Для проведения исследований использовали иловый осадок, полученный с очистных сооружений г. Волжского. Иловый осадок предварительно подвергали биологической очистке ферментно-кавитационным методом, разработанным компанией ЗАО «Экотор» и рядом ученых (Пындак и др., 2013; Степкина, 2009).
Содержание катионов тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb, Ni, Hg, As) в иловом осадке определяли методом атомно-абсорбционной спектрометрии согласно ПНД Ф 16.2.2:2.3.71-2011. Остаточное количество пестицидов определяли методом газовой хроматографии на газовом хроматографе «Кристаллюкс 4000-М» согласно ГОСТ ISO 10382-2020.
Особенности структуры илового осадка исследовали методом рентгенофазового анализа (РФА) с помощью дифрактометра «ДРОН-3» (излучение CuKa, длина волны А,а=1.54181А). Дифрактограммы записывали в диапазоне углов 20=10-70° со скоростью сканирования 1°/мин. Положения пиков на дифрактограммах определяли с точностью до 0.02°. На основе полученнойдифрактограммы переработанного илового осадка для идентификации минералов в его составе определены межплоскостные расстояния (d,A), которые рассчитывали в соответствии с уравнением Вульфа-Брэгга:
d = , (1) 2 sin 0г
где X - длина волны монохроматических, рентгеновских лучей, падающих на кристалл, А; О— угол скольжения, °.
Для идентификации состава переработанного илового осадка был использован ИК-спектр, записанный для воздушно-сухого образца на ИК-спектрометре «Nicolet IS 10» с фурье-преобразованием, оснащенном приставкой Smart iTR, в диапазоне 600-4000 см-1 с разрешением 2 см-1. Образец вносили непосредственно на кристалл приставки Smart iTR. Морфологию поверхности частиц переработанного илового осадка определяли методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с помощью микроскопа «JSM-6490LV».
Микробиологическую активность почвы вычисляли с помощью льняных полотен методом «аппликаций» (Мишустин, Емцев, 1987).
Полевые исследования проводили с 2016 по 2018 гг. на светло-каштановых солонцеватых почвах тяжелосуглинистого гранулометрического состава.
Иловый осадок вносили весной 2016 г. перед посевом сафлора красильного на поверхность поля в виде мульчирующего слоя в дозах 5 и 10 т/га-1, которые рассчитывали в соответствии с ГОСТ Р 17.4.3.07-2001.
Результаты и обсуждение
Иловый осадок - это отходы, остающиеся после очистки бытовых сточных вод на очистных сооружениях. На большинстве отечественных станциях очистки количество иловых осадков достигло критических масс, и утилизация таких отходов стала важной экологической проблемой. Переработка илового осадка и использование для сельскохозяйственных целей является экономически эффективным способом его утилизации (McGrathetal., 1999; Baliketal., 2002). Поскольку иловый осадок характеризуется большим количеством органических веществ, а также вредных веществ (микроорганизмы, тяжелые металлы и другие токсиканты), перед использованием его нужно подвергать очистке и переработке. После биологической очистки иловый осадок исследовали на наличие тяжелых металлов и пестицидов. Было установлено, что исследуемый иловый осадок содержит следующие металлы:Си, Zn, Cd, Pb, Ni, Hg, Cs и As в количестве 131.0 мг/кг-1; 135.0; 1.33; 24.0; 22.4; 1.9; 0 и 0.5 мг/кг-1, соответственно. Такое содержание тяжелых металлов в осадке допустимо согласно техническим требованиям для осадков сточных вод (ГОСТ Р 54651-2011), гексахлорциклогексан-изомеры, 4.4'-дихлордифенилтрихлорэтан и его метаболиты обнаружены не были. Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемый осадок является экологически безопасным.
Ранее нами было показано (Межевова и др., 2021; Mezhevova, 2020), что имеющиеся в иловом осадке в значительном количестве органическое вещество (32%), общий азот (3.3%), аммиачный азот
(0.19%), общий фосфор (4.27%), общий калий (0.31%) и другие макро- и микроэлементы, свидетельствуют о его высокой удобрительной ценности. В связи с этим переработанный осадок сточных вод может использоваться в качестве удобрения-мелиоранта при возделывании сельскохозяйственных культур.
Методом РФА исследованы структурные особенности илового осадка. РФА был выполнен для идентификации кристаллических минеральных фаз исследуемого образца. Рис. 1 иллюстрирует дифрактограмму исследуемого илового осадка в координатах I-20. Исследуемый образец илового осадка является аморфным с кристаллическими включениями, так как дифрактограмма содержит как узкие пики (кристаллические фазы), так и нелинейный фон (аморфная фаза). Для индицирования дифрактограммы илового осадка экспериментальные данные сравнивали с литературными(Бегларян и др., 2019; Мечай и др., 2019; Wei, 2012; Кошелев и др., 2019; Белоусов, 2015; МИНКРИСТ.,2022).
17 21 25 29 33 37 41 4? 49 33 57 61 65 69
20. 0
Рис. 1.Дифрактограмма илового осадка (цветом выделена аморфная фаза)
Первичный анализ полученнойдифрактограммы подтвердил, что осадок имеет сложный минералогический состав. На основе полученной дифрактограммы для идентификации минералов определены межплоскостные расстояния (ё, А), которые рассчитывали в соответствии с уравнением Вульфа-Брэгга (1). В состав илового осадка входят такие минералы как ангидрит (ё, А: 3.739, 3.250, 3.209, 2.797, 2.569, 2.291, 2.138, 2.079, 1.988), гидросиликат кальция (ё, А: 2.903, 2.885, 2.569, 1.823, 1.379), сульфосиликат кальция (ё, А: 3 .356, 2.291), сульфоалюминат кальция (ё, А: 3.356, 2.292, 2.243, 1.546, 1.503), эттрингит (ё, А: 4.279, 3.814, 2.885, 2.291), гидроксид кальция (ё, А: 4.475, 2.835, 2.797, 2.689, 1.988), бентонит (ё, А: 5.039, 4.475, 4.279, 4.033, 3.860, 3.356, 2.471, 2.481).Полученная дифрактограмма содержит и другие дифракционные отражения, однозначная идентификация которых затруднена.
В иловом осадке сложно определить идентификацию минералов из-за их количества, разнообразия и дисперсности частиц. Для более полного и точного изучения илового осадка были проведены ИК-спектроскопические исследования, которые подтвердили наличие бентонита в составе изучаемого илового осадка. ИК-спектр илового осадка представлен на рис. 2.
Основным компонентом глинистого минерала бентонита является монтмориллонит. Спектры инфракрасного поглощения минералов группы монтмориллонита (Коровкин, Ананьева,2016) характеризуются двойным пиком поглощения при 3620 и 3400 см-1, интенсивным пиком около 1032 см-1 (наблюдается слабое расщепление пика) и слабыми пиками при 920 и 842 см-1. Из-за наличия в образце и других минералов двойной пик поглощения при 3620 и 3400 см-1выражен слабо (см. рис. 2).
и а к и
Я
о о
и
Способность к набуханию, то есть способность поглощать воду, является одним из основных свойств бентонита (Горюшкин, 2005). При взаимодействии с водой молекулы воды могут входить в промежутки между слоями кристаллической решетки и существенно раздвигать их (Кошелев и др., 2019). Бентонитовые глины способны как к ионному обмену, так и к физической и молекулярной сорбции (Кошелев и др., 2019).
Наличие сорбционных и влагоудерживающих свойств у исследуемого илового осадка также подтверждают данные, полученные методом СЭМ. Типичные микрофотографии илового осадка при разном увеличении представлены на рис. З.Образец имеет шероховатую неоднородную пористую структуру. Размер частиц в образце варьирует от 0.1 до 800 мкм, наблюдается множество агрегированных частиц. Ширина видимых пор варьирует от 4нм до 6 мкм, что согласуется с литературными данными (Dong et al., 2015).
Развитая переходная пористость образца позволяет предположить, что иловый осадок обладает сорбционными свойствами и может поглощать, а также удерживать воду, что весьма важно для аридных регионов в условиях отсутствия орошения. Способность удерживать влагу в почве позволит пролонгировать её продуктивное использование растениями.
Апробация илового осадка в качестве почвенного мелиоранта.
В аридных регионах для возделывания сафлора красильного обычно используют традиционные минеральные удобрения. Однако в условиях с гидротермической напряженностью климата и отсутствием орошения такие удобрения слабо влияют на структуру и влажность почвы, что приводит к закономерному снижению урожая. За счет использования илового осадка можно потенциально повысить урожайность сельскохозяйственных культур и улучшить плодородие почвы, так как он обладает высокими удобрительными и влагоудерживающими свойствами.
Одним их главных показателей уровня плодородия почвы является микробиологическая активность. Внесение удобрений оказывает положительное влияние на развитие микроорганизмов в почве и является важнейшим фактором, определяющим биологическую активность. Микробиологическая активность почвы имеет большое значение для питания растений, произрастающих на ней (Cao et al., 2016; Иванайская, 2009).
Микробиологическую активность изучали в активные фазы роста сафлора. Почву подвергали глубокой чизельной обработке ресурсосберегающим рабочим органом Ранчо. Глубокая чизельная
V, см"1
Рис. 2. ИК-спектр илового осадка
обработка почвы позволяет заделывать вглубь почвы большую часть растительных остатков, где и происходит их разложение, что способствует дополнительной аккумуляции микроорганизмов. Иловый осадок вносили в качестве почвенного мелиоранта в дозах 5 и 10 т/га-1.
Рис. 3. Микрофотографии илового осадка после биологической очистки при разном увеличении.
Диаграмма на рис. 4 наглядно демонстрирует влияние илового осадка на микробиологические процессы в почве.
Наибольший показатель микробиологической активности почвы наблюдался в фазу 5-6 листьев по всем вариантам опыта. Внесение осадка в дозе 5 т/га-1 привело к увеличению микробиологической активности с 348 до 357 мкгамин./гполотна-1. Внесение илового осадка в дозе 10 т/га-1 увеличило микробиологическую активность до 372 мкгамин./гполотна-1. Вариант с внесением осадка в дозе 10 т/га-1 оказался самым предпочтительным. Микробиологическая активность почвы по всем вариантам опыта снижалась к фазе полной спелости, что связано с иссушением почвы. Однако сохранялась положительная динамика от внесения илового осадка в качестве мелиоранта в дозах 5 и 10 т /га-1. Также было изучено влияние илового осадка на урожайность сафлора красильного. При внесении осадка в дозе 5 т/га-1 урожайность сафлора увеличивалась до 1,42 т/га-1, в дозе 10 т/га-1 до 1,51 т/га-1 (среднее за 2016-2018 гг.). На контрольном варианте, где не использовали осадок, урожайность составила 1,31 т/га-1. Разница в урожайности обусловлена внесением илового осадка, который содержит основные элементы питания и органическое вещество, что приводит к улучшению структурных показателей почвы, улучшает водный режим и, как следствие, приводит к увеличению урожайности культуры. Опыты показали, что наилучшие результаты были достигнуты при увеличении дозы илового осадка до 10 т/га-1.
5-6 листьев Образование Нялив семян Полная спелость
корзинки
Рис. 4. Микробиологическая активность почвы в слое 0-0.3 м (среднее за 2016-2018 гг.)
Выводы
Полученные данные свидетельствуют о том, что иловый осадок полностью соответствует техническим требованиям, предъявляемым к удобрениям на основе осадка сточных вод, содержит в своем составе широкий ряд минералов, имеет развитую пористую структуру, является экологически чистым и пригодным для применения в качестве почвенного мелиоранта. Внесение в почву такого мелиоранта в дозах 5 и 10 т/га-1 оказало положительное влияние на активность микроорганизмов и урожайность. Увеличение дозы внесения осадка до 10 т/га-1 позволило получить наилучшие результаты: микробиологическая активность возросла на 7%, а урожайность - на 15%.
Использование илового осадка в сельском хозяйстве может быть одним из способов решения проблем плодородия почв, дефицита влаги в зонах с гидротермической напряженностью климата, использования дорогостоящих минеральных удобрений.
Финансирование. Работа выполнена в рамках государственного задания НИР ФНЦ агроэкологии РАН №КОТЕ-2022-0007«Теория и принципы формирования адаптивных агролесомелиоративных комплексов сухостепной зоны юга РФ в контексте климатических изменений».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Бегларян А.А., Зулумян Н.О., Исаакян А.Р., Меликян С.А., Терзян А.М. 2019. Взаимодействие гидроксида кальция с аморфным кремнеземом, полученным из серпентинитов // Журнал физической химии. Т. 93. С. 730-737.
Белоусов П.Е., Бочарникова Ю.И., Боева Н.М. 2015. Аналитические методы диагностики минерального состава
бентонитовых глин // Вестник РУДН. Серия: Инженерные исследования. № 4. С. 94-101. Горюшкин В.В. 2005. Технологические свойства бентонитов палеоцена воронежской антеклизы и возможности
их изменения // Вестник Воронежского университета. Геология. №1. C. 166-177. Иванайская Н.С. 2009. Влияние минеральных удобрений и предшественников на численность микроорганизмов
в почве под зернобобовыми смесями // Достижения науки и техники АПК. № 3. С. 17-18. Ильинский А.В., Евсенкин К.Н., Нефедов А.В. 2020. Обоснование экологически безопасного использования осадков сточных вод канализационных очистных сооружений жилищно-коммунального хозяйства // Агрохимический вестник. № 1. С. 60-64. Касатиков В.А. 2020. Влияние мелиоративных доз осадка городских сточных вод на азотный режим дерново -
подзолистой почвы и продуктивность зерновых культур // Агрохимия. №6. С. 64-68. Коровкин М.В., Ананьева Л.Г. 2016. Инфракрасная спектроскопия карбонатных минералов: учеб. пособие. Томск: Изд-во Томского политехнического университета. 96 с.
Кошелев А.В., Тихомирова Е.И., Атаманова О.В. 2019. Влияние модифицирования бентонитового адсорбента глицерином на его структуру и физико-химические свойства // Химическая физика. Т. 38. С. 85-90.
Межевова А.С., Берестнева Ю.В., Пугачёва А.М. 2021. Вторичное использование осадка сточных вод, исследование его морфологии и физико -химических свойств // Экология и промышленность России. Т. 25. С. 14-20.
Мечай А.А., Барановская Е.И., Климош Ю.А., Ковалёнок М.П. 2019. Влияние состава сульфоминеральных добавок на структуру и свойства автоклавного ячеистого бетона // Труды БГТУ. № 2. С. 155-165.
МИНКРИСТ. Кристаллографическая и кристаллохимическая база данных для минералов и их структурных аналогов. [Электронный ресурс: http://database.iem.ac.ru/mincryst/rus/ (дата обращения 20.04.2022)].
Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. 1987. Микробиология. М.: Агропромиздат. 371 с.
Пындак В.И., Степкина Ю.А., Степкин А.А. 2013. Обоснование ферментно-кавитационного метода переработки хозяйственно-бытовых стоков с получением удобрений-мелиорантов // Известия Нижневолжского агроуниверситетского комплекса. № 3. С. 183-189.
Рабинович Г.Ю., Подолян Е.А., Зинковская Т.С. 2020. Использование осадка сточных вод и режим органического вещества дерново-подзолистой почвы // Российская сельскохозяйственная наука. № 4. С. 37-41.
Стельмах К.Н. 2020. Влияние осадков сточных вод в комплексе с цеолитсодержащей породой на физико -химические свойства почвы и продуктивность сельскохозяйственных культур // Агрохимический вестник. № 3. С. 67-70.
Степкина Ю.А. 2009. Совершенствование технологий и систем обработки осадка при очистке сточных вод, получение и апробация комплексного удобрения. Автореф. дисс. ...канд. техн. наук. Волгоград: ВГСХА. 22 с.
BalikJ., Tlustos P., Szakova J., Pavlikova D., Cerny J. 2002. The accumulation of zinc in oat grown in soils treated by incubated sewage sludge with peat and straw // Plant Soil and Environment. Vol.48.P. 548-555.
Cao X., Ma Q., Wu L., Zhu L., Jin Q. 2016. Effects of ammonium application rate on uptake of soil adsorbed amino acids by rice. Journal of Zhejiang University ScienceB. Vol. 17. P. 294-302.
Dong Y., Lu H., Li J., Wang Ch. The Leachate Release and Microstructure of the Sewage Sludge under the Anaerobic Fermentation // Journal of Chemistry. 2015. Vol. Article ID 901021: 1-9.
Kumar A., Chopra A.K., Kumar V.A. 2017. Review on Sewage Sludge (Biosolids) a Resource for Sustainable Agriculture // Archives of Agriculture and Environmental Science. Vol. 2.P. 340-347.
McGrath S.P., Knight B., Killham K., Preston S., Paton G.I. 1999. Assessment of the toxicity of metals in soils amended with sewage sludge using a chemical speciation technique and a lux-based biosensor // Environmental Toxicology and Chemistry. Vol. 18. P. 659-663.
Mezhevova A.S. 2020. Wastewater silt sludge application in case of Carthamus tinctorius cultivation on light chestnut soils of the Volgograd region, Russia // South of Russia: ecology, development. Vol. 15. P. 43-52.
Renaud M., Chelinho S., Alvarenga P., Mourinha C., Palma P., Sousa J.P., Natal-da-Luz T. 2017. Organic wastes as soil amendments - effects assessment towards soil invertebrates // Journal of Hazardous Materials. Vol. 330. P. 149-156.
Wei N. 2012. Municipal Sewage Sludge Drying Treatment by an Composite Modifier // Mathematical Problems in Engineering. V. Article ID 979764: 1-10.
